在地理信息科学和产业技术领域,空间数据更新是维护数据质量、保证数据现势性的主要手段。时空大数据时代,面对地理信息资源共享、低成本实时/准实时的智能化服务的社会需求,现代地理信息服务正面临着全球性的挑战。这些挑战包括多尺度多源异构时空信息在横向/纵向的集成与融合,以及大数据时代地理信息服务对数据高现势性的需求。因此,大数据时代对数据现势性维护的能力和技术方法提出了更高的要求,如何解决跨尺度异构空间数据的变化发现和级联更新问题成为新时代空间数据生产和质量维护的重要内容之一。然而,目前的数据更新方法和技术对跨尺度异构数据更新问题的解决能力不足,主要体现在三个方面:一是传统的基于单个对象建模的变化信息探测方法不能很好地解决跨比例尺地理要素多对多关系的匹配,尤其是面状要素更难解决,表现在结构化综合前后的多对多关系匹配（如典型化）,以及不同几何维数的目标匹配;二是已有的变化分类模型和变化识别方法对多尺度表达变化的讨论不够充分和全面,尤其是针对异构数据源的变化探测和识别研究很少,使得跨尺度异构数据时态变化与多尺度表达变化的识别和更新存在困难;三是现有的更新模型和方法很少跟后续服务对象相衔接,使得针对数据库维护的研究偏多,关于更新后多尺度多时态更新成果的地图服务研究不足。本论文针对跨尺度空间数据变化探测和更新中跨尺度多对多关系匹配、异构数据源更新以及多级多时态更新成果服务问题,尝试运用全局优化理论、空间相似性理论及其相关的技术方法,以居民地为研究对象,研究了适应跨尺度居民地变化探测和识别的变化信息分类模型,建立了空间数据跨尺度级联更新的模型框架,并在跨尺度变化信息探测、异构数据源的变化识别和更新成果的高质量地图服务方面重点突破,期望对时空大数据时代地理信息高现势性的维护及高质量的地图服务提供解决方案。本文将对这些方面展开研究,具体内容如下:1、分析跨尺度居民地数据变化探测和更新的研究背景以及国内外研究现状。阐述了时空大数据时代对跨尺度多源异构数据更新服务的需求,从更新的尺度、数据来源、技术方法、服务对象等角度对现有的更新方法进行了分析,提出了需要研究和突破的三个问题;另外,从变化现象探测、变化信息分类和识别、更新数据的一致性关系维护三个方面对国内外研究现状进行了分析。2、系统阐述支持跨尺度居民地数据变化探测和更新的相关理论。讨论空间实体的时空变化模型,包括基于事件的时空数据模型、基于目标快照差的变化分类模型和基于图形数据差的变化信息表达模型;阐述空间相似性理论,包括相似性的概念及度量模型、空间相似性计算方法,以及影响相似性计算的尺度和分辨率;阐述全局优化理论,包括地理目标匹配中的全局优化问题、全局优化的基本理论和全局优化问题的解法;最后阐述空间上下文环境分析,包括空间数据更新与空间上下文环境、空间上下文环境的定义、以及适合更新的空间上下文环境分类。3、基于概率松弛方法的跨尺度居民地数据变化探测。阐述概率松弛方法的基本原理,研究运用概率松弛方法的跨尺度居民地目标匹配的基本过程,包括初始概率计算、兼容系数设计、概率矩阵迭代更新、目标匹配对选取。在基本过程研究的基础上,分别针对相同比例尺和跨比例尺居民地目标匹配的特点,研究概率松弛方法中空间相似性因子选择、兼容系数设计及目标匹配对选取等问题。针对同尺度城市居民地匹配问题,分别研究了大比例尺异构居民地匹配和小比例尺城区居民地匹配。在相同大比例尺异构居民地匹配中,主要研究边界不一致和位置差异大（采集标准、数据误差等原因）的居民地目标匹配方法;在相同小比例尺城区居民地匹配中,主要针对居民地目标多对多关系进行探测。针对跨尺度居民地目标匹配问题,分别研究了城区居民地目标匹配和城乡结合部居民地目标匹配。在跨比例尺城区居民地目标匹配中,主要针对跨尺度情况下由于制图综合操作引起的多对多关系匹配进行研究,解决居民地要素因典型化等综合操作导致的匹配困难;在跨比例尺城乡结合部居民地目标匹配中,主要研究跨尺度下维数不同的点、线、面状居民地混合情况下的匹配问题,重点探讨了降维操作（面状变半依比例尺线状、面状变不依比例尺的点状）前后的变化探测问题。4、跨尺度异构居民地数据的变化信息识别和更新。首先针对现有变化信息分类模型在跨尺度居民地数据变化探测和更新中的适用性问题,研究相对完整的面状目标变化信息分类模型。该模型有三个特点,一是包含单个目标和多个目标的变化情况;二是引用Yang和Ai（2018）的思想,将多尺度表达变化纳入到变化信息分类模型中,但是更加丰富和完善;三是在模型中表达了空间事件信息,除了地理事件外,还把制图综合作为表达空间的空间事件纳入到模型中。其次,研究跨尺度居民地数据的变化信息识别方法,以及增量提取和综合方法,关键是如何区分时态变化和多尺度表达变化。最后,针对异构数据源更新的迫切需求,研究解决异构数据源变化识别和更新中多细节层级差异等问题的方法,建立了异构数据源变化信息识别和更新的规则。5、跨尺度级联更新模型和多级多时态更新结果的组织、表达和服务。在已有跨尺度空间数据变化探测和识别方法研究的基础上,研究跨尺度级联更新的整体框架和模型,模型应该包括地形数据库级联更新和制图数据库的联动更新;更新结果是一个多级时态的变化结果,为了满足高质量的地图服务需求,更新成果的组织结构和地图表达形式是必须研究的内容。本文采用PDF地图作为更新结果表达的形式,研究金字塔的层级式瓦片地图模式如何运用到矢量PDF地图的组织,为多级多时态更新结果建立适宜可用的组织结构和表达模式。在此基础上,研究多级多时态矢量PDF瓦片地图的在线服务、离线服务以及按需服务模式。最后,按照跨尺度级联更新模型集成各个功能模块,开发居民地跨尺度级联更新的原型系统,并验证了系统的可用性。